JP2004180431A - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ステッピングモータの静止角度誤差（理論上のステップ角度に対する実際のステップ動作角度との差）を角度検出器の最小分解能に制御する駆動装置の実現を目的とする。
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，ロータ停止時に，励磁角度（励磁位置）と，前記角度検出器で検出したロータ角度（ロータ位置）の差である位置偏差を算出し，該位置偏差を励磁角度に加算することにより，励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成する。
【選択図】 図１
【構成】外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，ロータ停止時に，励磁角度（励磁位置）と，前記角度検出器で検出したロータ角度（ロータ位置）の差である位置偏差を算出し，該位置偏差を励磁角度に加算することにより，励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，位置及び速度を制御するためのステッピングモータ駆動回路制御方式，及びステッピングモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】特開平０７−１５４９９５ ステッピングモータの位置決め装置
【特許文献２】特開平１０−０６６３９３ ステッピングモータ駆動装置
従来，ステッピングモータを駆動する際，パルス幅変調方式（以下ＰＷＭ方式と記す）のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【０００３】
マイクロステップ駆動は，ステッピングモータのステップ基本角度１ステップ間を等分に分割し，細かく駆動する手法であるが，モータの巻線構造や電流制御回路におけるインバータの相バランスのずれなどから，必ずしもステッピングモータが分割した理想の位置に停止するとは限らない。このような問題点を解決する手法として，「特許文献１」，「特許文献２」に開示された装置がある。
【０００４】
図３に示す「特許文献１」の装置は，ステッピングモータ２１７のロータ位置をエンコーダ２１９の信号から位置検出回路２１８により検出し，検出したロータ位置と目標発生回路２１１から比較器２１２により偏差量を求め，該偏差量をゼロにするようにコントローラ２１３で制御する構成となっている。コントローラ２１３は，比例・積分制御器からなっており，予め電流テーブルＲＯＭ（メモリ）に格納したマイクロステップ駆動するための最小分解能間を更に細かい精度で制御する装置である。
【０００５】
図４に示す「特許文献１」では，予め，モータコントロール部３０５から指令位置目標を出力してＣＰＵ３０１によって正弦波状のマイクロステップ駆動を１周期分モータ駆動回路３０２に出力し，ステッピングモータ３０３を駆動する。
この際，エンコーダ３０６から検出したロータ位置とモータコントロール部３０５の指令位置目標とから偏差量を求め，該偏差量からロータの各マイクロステップ停止位置における補正量をメモリに記憶し，それ以降は該メモリに記憶した情報を基に停止位置を補正するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように，「特許文献１」では，コントローラ２１３にある偏差量をゼロにするような操作量を出力する比例・積分制御器が必要であり，常時制御器が動作状態である。このため，サーボモータの位置制御のような角度検出器の最小分解能でのハンチングがあり，停止時にハンチングが発生しないステッピングモータの特性が損なわれるという問題があった。
【０００７】
また，「特許文献２」では，基本角度１ステップ角度内のマイクロステップ駆動時の理論上停止位置とロータの実際停止位置との差に規則性があることに着目し，停止位置誤差を補正するためのデータを予めメモリに記憶しておくものである。しかしながら，この手段では，モータ特性が変更になる度に補正データを採取し，記憶する必要があり，且つ同特性のモータにおいても，定数のばらつきから記憶した補正値が目的を達成できない等の問題があった。本発明は，ステッピングモータの駆動装置おいて，上記問題を解決し，ロータ停止位置を角度検出器の最小分解能範囲で停止できるように制御することを目的としている。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では，外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスからモータ巻線電流を正弦波状に変化させ励磁を行う正弦波情報角度を生成するための励磁角度生成器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，モータ通電電流を検出する電流検出器と，別に外部から与える電流指令値と検出電流値からモータ電流を制御する電流制御器と，該電流制御器出力値からモータに正弦波状の電圧を印加するための電力変換器を有し，ロータ停止時に，励磁角度（励磁位置）と，前記角度検出器で検出したロータ角度（ロータ位置）の差である位置偏差を算出し，該位置偏差を励磁角度に加算することにより，励磁角度を更新してロータ停止位置を補正できるように構成する。
【０００９】
【作用】
位置偏差は，励磁角度とロータ停止位置のずれを示しているから，停止判定ののち，励磁角度に位置編差分を補正することで停止位置を励磁角度に近づけることができ，停止位置精度が向上する。また，補正処理は，所定時間または，所定回数だけ補正操作を行った後以降繰り返さないため，連続的な補正とはならず，励磁角度が安定し振動発振を防止することが可能である。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の実施例である。
図１において，ステッピングモータ８０に対してＰＷＭインバータ７０でモータに所定の電圧を印加しモータを回転させる。インバータ７０の指令は，電流検出器５５，５６で検出したモータ相電流ｉαｆ，ｉβｆを第１の座標変換器６１で回転座標系電流ｉｄｆ，ｉｑｆに変換した後，ｄｑ座標軸上でｄ軸電流指令入力端子３１，ｑ軸電流指令入力端子３２に加えられるｄ軸電流指令ｉｄ＊，ｑ軸電流指令ｉｑ＊との差分即ち電流偏差をｄｑ軸独立の電流制御器５３，５４で増幅し，第２の座標変換器６２で回転座標系から固定座標系へ変換したものである。第１の座標変換器６１と第２の座標変換器６２に入力される補正励磁角度θｒは，外部指令パルス入力端子１０に加えられる指令パルスから励磁角度生成器１１によって生成される励磁角度θ＊，角度検出信号θｆを入力とし，停止位置補正器２０によって出力される。
【００１１】
次に本発明の停止位置補正の内容を図２に詳述する。
図２において，停止位置補正器２０は，励磁角度生成器１１の出力である励磁角度θ＊と角度演算器９１の出力である角度検出信号θｆを判定器２４に入力して，外部指令パルス入力端子１０に入力される指令が一定期間入力されず，かつ角度検出信号θｆの変化が所定値以内にあるときを停止と判断する。更に，判定器２４は，停止と判断した場合に，データ保持タイミング信号を出力し，励磁角度θ＊と角度検出信号θｆから加算器２６により位置偏差εを算出し，切換器３０を介して位置偏差εをデータ保持器２９に保持する。この保持したデータと励磁角度θ＊を加算器２７によって補正励磁角度θｒを得る。停止状態でないと判断した場合は，励磁角度θ＊そのものを励磁信号２１とする。
【００１２】
図６は，２相，基本ステップ角度１．８゜のステッピングモータに分解能４０００の角度検出器を搭載し，０．３６゜／ステップのマイクロステップ駆動を行う場合の動作説明図である。理論上の停止位置は，図６（ａ）に示す通り０．３６゜の倍数となるが，従来例駆動装置で駆動した場合は，図６（ｂ）に示す動作となり，理論上停止位置とのずれが生じる。本発明駆動装置により，位置補正処理回数を１回として，駆動した場合は，図６（ｃ）に示す動作となり，理論上の停止位置に対して角度検出器の最小分解能である４０００分割即ち０．０９゜以内の範囲で停止することが可能である。
【００１３】
また，前述した停止位置補正を行う停止判断について，更に詳しく説明する。
停止判断処理は，ＣＰＵにより一定間隔で行うようにプログラムを構成している（サンプリング処理）が，励磁角度θ＊については指令が一定期間入力されない時，即ち該励磁角度値が所定の期間同じ値であることを確認する。角度検出信号θｆについても該角度検出信号値が所定値以内にあることを確認し，停止と判断する。また，角度検出信号θｆ側の判断は，モータの減衰振動の規則性を利用して，ロータが安定的に静止する時間に相当するタイマを起動し判断してもかまわない。
【００１４】
尚，本発明の実施例では角度検出器にエンコーダを用いているが例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能である。また，モータ軸直結のセンサである必要もない。また，２相ステッピングモータについて詳述したが，多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によるステッピングモータ駆動装置は，オープン駆動時の理論上停止位置に対する実際のステッピングモータロータ停止位置のズレを角度検出器の最小分解能で補正することができる。また，同じく角度検出器の最小分解能で停止可能なサーボモータのように，最小分解能でハンチングすることがない，極めて安定した停止位置を維持することができるという特徴も併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である。
【図２】本発明の実施例に於ける停止位置補正器詳細説明図である。
【図３】「特許文献１」記載の従来例である。
【図４】「特許文献２」記載の従来例である。
【図５】本発明の動作説明図である。
【符号の説明】
１０ 外部指令パルス入力端子
１１ 励磁角度生成器
２０ 停止位置補正器
２４ 判定器
２６，２７ 加算器
２９ テ゛ータ保持器
３０ 切換器
３１ ｄ軸電流指令入力端子
３２ ｑ軸電流指令入力端子
５１，５２ 加算器
５３ 第１の電流制御器（ｄ軸）
５４ 第２の電流制御器（ｑ軸）
５５ 第１の電流検出器（α軸）
５６ 第２の電流検出器（β軸）
６１ 第１の座標変換器（αβ／ｄｑ座標変換器）
６２ 第２の座標変換器（ｄｑ／αβ座標変換器）
７０ ＰＷＭインバータ
８０ ステッピングモータ
９０ エンコーダ
９１ 角度演算器
２１１ 目標発生回路
２１２ 比較器
２１３ コントローラ
２１４ 電流指令値発生回路
２１５ 電流テーブルＲＯＭ
２１６ モータ駆動回路
２１７ ステッピングモータ
２１８ 位置検出回路
２１９ エンコーダ
３００ メモリ
３０１ ＣＰＵ
３０２ モータ駆動回路
３０３ ステッピングモータ
３０４ 位置検出信号
３０５ モータコントロール部
３０６ エンコーダ
【産業上の利用分野】
本発明は，位置及び速度を制御するためのステッピングモータ駆動回路制御方式，及びステッピングモータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】特開平０７−１５４９９５ ステッピングモータの位置決め装置
【特許文献２】特開平１０−０６６３９３ ステッピングモータ駆動装置
従来，ステッピングモータを駆動する際，パルス幅変調方式（以下ＰＷＭ方式と記す）のインバータを用いて巻線通電電流を滑らかに変化させるマイクロステップ駆動が振動低減策として一般的である。
【０００３】
マイクロステップ駆動は，ステッピングモータのステップ基本角度１ステップ間を等分に分割し，細かく駆動する手法であるが，モータの巻線構造や電流制御回路におけるインバータの相バランスのずれなどから，必ずしもステッピングモータが分割した理想の位置に停止するとは限らない。このような問題点を解決する手法として，「特許文献１」，「特許文献２」に開示された装置がある。
【０００４】
図３に示す「特許文献１」の装置は，ステッピングモータ２１７のロータ位置をエンコーダ２１９の信号から位置検出回路２１８により検出し，検出したロータ位置と目標発生回路２１１から比較器２１２により偏差量を求め，該偏差量をゼロにするようにコントローラ２１３で制御する構成となっている。コントローラ２１３は，比例・積分制御器からなっており，予め電流テーブルＲＯＭ（メモリ）に格納したマイクロステップ駆動するための最小分解能間を更に細かい精度で制御する装置である。
【０００５】
図４に示す「特許文献１」では，予め，モータコントロール部３０５から指令位置目標を出力してＣＰＵ３０１によって正弦波状のマイクロステップ駆動を１周期分モータ駆動回路３０２に出力し，ステッピングモータ３０３を駆動する。
この際，エンコーダ３０６から検出したロータ位置とモータコントロール部３０５の指令位置目標とから偏差量を求め，該偏差量からロータの各マイクロステップ停止位置における補正量をメモリに記憶し，それ以降は該メモリに記憶した情報を基に停止位置を補正するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように，「特許文献１」では，コントローラ２１３にある偏差量をゼロにするような操作量を出力する比例・積分制御器が必要であり，常時制御器が動作状態である。このため，サーボモータの位置制御のような角度検出器の最小分解能でのハンチングがあり，停止時にハンチングが発生しないステッピングモータの特性が損なわれるという問題があった。
【０００７】
また，「特許文献２」では，基本角度１ステップ角度内のマイクロステップ駆動時の理論上停止位置とロータの実際停止位置との差に規則性があることに着目し，停止位置誤差を補正するためのデータを予めメモリに記憶しておくものである。しかしながら，この手段では，モータ特性が変更になる度に補正データを採取し，記憶する必要があり，且つ同特性のモータにおいても，定数のばらつきから記憶した補正値が目的を達成できない等の問題があった。本発明は，ステッピングモータの駆動装置おいて，上記問題を解決し，ロータ停止位置を角度検出器の最小分解能範囲で停止できるように制御することを目的としている。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では，外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスからモータ巻線電流を正弦波状に変化させ励磁を行う正弦波情報角度を生成するための励磁角度生成器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，モータ通電電流を検出する電流検出器と，別に外部から与える電流指令値と検出電流値からモータ電流を制御する電流制御器と，該電流制御器出力値からモータに正弦波状の電圧を印加するための電力変換器を有し，ロータ停止時に，励磁角度（励磁位置）と，前記角度検出器で検出したロータ角度（ロータ位置）の差である位置偏差を算出し，該位置偏差を励磁角度に加算することにより，励磁角度を更新してロータ停止位置を補正できるように構成する。
【０００９】
【作用】
位置偏差は，励磁角度とロータ停止位置のずれを示しているから，停止判定ののち，励磁角度に位置編差分を補正することで停止位置を励磁角度に近づけることができ，停止位置精度が向上する。また，補正処理は，所定時間または，所定回数だけ補正操作を行った後以降繰り返さないため，連続的な補正とはならず，励磁角度が安定し振動発振を防止することが可能である。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の実施例である。
図１において，ステッピングモータ８０に対してＰＷＭインバータ７０でモータに所定の電圧を印加しモータを回転させる。インバータ７０の指令は，電流検出器５５，５６で検出したモータ相電流ｉαｆ，ｉβｆを第１の座標変換器６１で回転座標系電流ｉｄｆ，ｉｑｆに変換した後，ｄｑ座標軸上でｄ軸電流指令入力端子３１，ｑ軸電流指令入力端子３２に加えられるｄ軸電流指令ｉｄ＊，ｑ軸電流指令ｉｑ＊との差分即ち電流偏差をｄｑ軸独立の電流制御器５３，５４で増幅し，第２の座標変換器６２で回転座標系から固定座標系へ変換したものである。第１の座標変換器６１と第２の座標変換器６２に入力される補正励磁角度θｒは，外部指令パルス入力端子１０に加えられる指令パルスから励磁角度生成器１１によって生成される励磁角度θ＊，角度検出信号θｆを入力とし，停止位置補正器２０によって出力される。
【００１１】
次に本発明の停止位置補正の内容を図２に詳述する。
図２において，停止位置補正器２０は，励磁角度生成器１１の出力である励磁角度θ＊と角度演算器９１の出力である角度検出信号θｆを判定器２４に入力して，外部指令パルス入力端子１０に入力される指令が一定期間入力されず，かつ角度検出信号θｆの変化が所定値以内にあるときを停止と判断する。更に，判定器２４は，停止と判断した場合に，データ保持タイミング信号を出力し，励磁角度θ＊と角度検出信号θｆから加算器２６により位置偏差εを算出し，切換器３０を介して位置偏差εをデータ保持器２９に保持する。この保持したデータと励磁角度θ＊を加算器２７によって補正励磁角度θｒを得る。停止状態でないと判断した場合は，励磁角度θ＊そのものを励磁信号２１とする。
【００１２】
図６は，２相，基本ステップ角度１．８゜のステッピングモータに分解能４０００の角度検出器を搭載し，０．３６゜／ステップのマイクロステップ駆動を行う場合の動作説明図である。理論上の停止位置は，図６（ａ）に示す通り０．３６゜の倍数となるが，従来例駆動装置で駆動した場合は，図６（ｂ）に示す動作となり，理論上停止位置とのずれが生じる。本発明駆動装置により，位置補正処理回数を１回として，駆動した場合は，図６（ｃ）に示す動作となり，理論上の停止位置に対して角度検出器の最小分解能である４０００分割即ち０．０９゜以内の範囲で停止することが可能である。
【００１３】
また，前述した停止位置補正を行う停止判断について，更に詳しく説明する。
停止判断処理は，ＣＰＵにより一定間隔で行うようにプログラムを構成している（サンプリング処理）が，励磁角度θ＊については指令が一定期間入力されない時，即ち該励磁角度値が所定の期間同じ値であることを確認する。角度検出信号θｆについても該角度検出信号値が所定値以内にあることを確認し，停止と判断する。また，角度検出信号θｆ側の判断は，モータの減衰振動の規則性を利用して，ロータが安定的に静止する時間に相当するタイマを起動し判断してもかまわない。
【００１４】
尚，本発明の実施例では角度検出器にエンコーダを用いているが例えばレゾルバなどの相当性能のセンサであれば代替が可能である。また，モータ軸直結のセンサである必要もない。また，２相ステッピングモータについて詳述したが，多相ステッピングモータにおいても本発明は適用可能である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によるステッピングモータ駆動装置は，オープン駆動時の理論上停止位置に対する実際のステッピングモータロータ停止位置のズレを角度検出器の最小分解能で補正することができる。また，同じく角度検出器の最小分解能で停止可能なサーボモータのように，最小分解能でハンチングすることがない，極めて安定した停止位置を維持することができるという特徴も併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である。
【図２】本発明の実施例に於ける停止位置補正器詳細説明図である。
【図３】「特許文献１」記載の従来例である。
【図４】「特許文献２」記載の従来例である。
【図５】本発明の動作説明図である。
【符号の説明】
１０ 外部指令パルス入力端子
１１ 励磁角度生成器
２０ 停止位置補正器
２４ 判定器
２６，２７ 加算器
２９ テ゛ータ保持器
３０ 切換器
３１ ｄ軸電流指令入力端子
３２ ｑ軸電流指令入力端子
５１，５２ 加算器
５３ 第１の電流制御器（ｄ軸）
５４ 第２の電流制御器（ｑ軸）
５５ 第１の電流検出器（α軸）
５６ 第２の電流検出器（β軸）
６１ 第１の座標変換器（αβ／ｄｑ座標変換器）
６２ 第２の座標変換器（ｄｑ／αβ座標変換器）
７０ ＰＷＭインバータ
８０ ステッピングモータ
９０ エンコーダ
９１ 角度演算器
２１１ 目標発生回路
２１２ 比較器
２１３ コントローラ
２１４ 電流指令値発生回路
２１５ 電流テーブルＲＯＭ
２１６ モータ駆動回路
２１７ ステッピングモータ
２１８ 位置検出回路
２１９ エンコーダ
３００ メモリ
３０１ ＣＰＵ
３０２ モータ駆動回路
３０３ ステッピングモータ
３０４ 位置検出信号
３０５ モータコントロール部
３０６ エンコーダ
Claims (3)
- 外部指令パルスの印加ごとに正弦波状に変化するモータ巻線電流を通電し，基本ステップ角を細分化するマイクロステップ機能を有する外部指令パルスの印加ごとにモータが歩進回転するステッピングモータの駆動装置において，前記外部指令パルスから正弦波状モータ電流を発生させるための励磁角度を生成する励磁角度生成器と，ロータ回転角度を検出する角度検出器と，ロータ停止時に，励磁角度（励磁位置）と，前記角度検出器で検出したロータ角度（ロータ位置）の差である位置偏差を算出し，該位置偏差を励磁角度に加算することにより，励磁角度を更新してロータ停止位置を補正するように構成したステッピングモータ駆動装置。
- 上記駆動装置において，励磁角度の更新処理は，所定時間継続したのち，励磁角度更新処理を停止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
- 上記駆動装置において，励磁角度の更新処理は，所定回数継続したのち，励磁角度更新処理を停止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002344493A JP2004180431A (ja) | 2002-11-27 | 2002-11-27 | ステッピングモータ駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002344493A JP2004180431A (ja) | 2002-11-27 | 2002-11-27 | ステッピングモータ駆動装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004180431A true JP2004180431A (ja) | 2004-06-24 |
Family
ID=32705963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002344493A Pending JP2004180431A (ja) | 2002-11-27 | 2002-11-27 | ステッピングモータ駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004180431A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1798847A3 (en) * | 2005-12-17 | 2009-11-11 | Converteam Ltd | Electronic commutation circuits |
| CN101931356A (zh) * | 2009-06-23 | 2010-12-29 | 三洋电机株式会社 | 驱动电路 |
| CN103414409A (zh) * | 2013-08-14 | 2013-11-27 | 浙江工业大学 | 基于曲线拟合的步进电机预细分驱动方法 |
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2002
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